JP2008139309A - 超音波検査システム、方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波検査システム、方法及び装置を提供する。
【解決手段】超音波検査システム（１０）は、結合流体（４０）内に浸漬するようになった選択トランスデューサ（２０）及び選択音響ミラー（１８）を支持するための支持構造体（１３）を有する装置（１２）を含む。超音波放射線の総検査経路距離は、トランスデューサ−ミラー距離によって定まる第１の部分とミラー−対象物距離を含む第２の部分とを含む。第１及び第２の部分は、一定の総検査経路距離の範囲内で、超音波放射線を所望の水中深度において集束させるように相対的に調整することができる。トランスデューサ（２０）の選択は、少なくとも部分的に所望の検査ゾーンの水中深度に応じて決まる。音響ミラーの選択は、少なくとも部分的に選択トランスデューサ（２０）、総検査経路距離、及び検査対象物（２４）の入射表面（２６）の曲率に応じて決まる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、総括的には超音波検査システムに関し、より具体的には、音響ミラーを含む超音波検査装置及び湾曲表面を有する部品の超音波検査方法に関する。

超音波検査は、欠陥が外部表面の下方に位置している場合のような対象物の内部の欠陥を検出するのに用いることができる。超音波検査を実施する場合、トランスデューサは、検査する材料と同じ材料で作った平面入射表面（すなわち平坦ブロック）を有しかつ公知の直径及び表面からの深度の平坦底面閉鎖孔を含むブロック上で較正される。ゲイン、動作周波数及び水中経路のような一連の検査パラメータは、平坦上面ブロックに対して設定されかつ較正される。検査パラメータは、生産ハードウェアを検査するように用いられる。

従来から、半径約３８ｃｍよりも大きい表面曲率を有する湾曲表面部品は、平面を有する部品と同様に検査される。３８ｃｍよりも小さい半径の場合には、一般的にオペレータは、湾曲入射表面による損失を補償するためにゲイン（エネルギーレベル）を増加させることになる。しかしながら、ゲインを増加させることはまた、システムノイズ（電子ノイズ）及び材料ノイズの両方を増加させる。従って、一部の生産部品は、「高いノイズ」のために検査不能になる。超音波ビームは、湾曲入射表面によって焦点ぼけ又は過焦点となる可能性があるので、水中検査時においてはこの問題はさらに拡大する。

米国特許第６，２５３，６１９号は、調整可能な音響ミラーによって成形されかつ反射される超音波放射を照射するトランスデューサを使用する超音波検査システムを開示している。米国特許第６，２３７，４１９号は、湾曲入射表面を備えた部品を検査する非球面湾曲素子トランスデューサを開示している。これら開示されたシステム及び方法では、湾曲入射表面を有する部品の水中検査の場合に所望の成果が得られない。
米国特許第６，２５３，６１９号公報 米国特許第６，２３７，４１９号公報 米国特許第５，５９６，９８９号公報 米国特許第６，１８２，４９４号公報

当技術分野では、湾曲表面を通しての超音波検査性能を改善することが望ましい。科学者及び技術者は、平坦入射表面を通しての検査の検査感度と同レベルになる湾曲表面を通しての検査のための改良型の超音波検査システム及び方法を模索し続けている。

上述の必要性は、超音波検査システム、装置及び方法を提供する例示的な実施形態によって満たすことができる。例えば、例示的な実施形態は、支持構造体と、ミラーホルダと、複数の音響ミラーから選択された選択的交換可能音響ミラーとを有する装置を含む検査システムを提供する。支持構造体は、トランスデューサホルダ内に選択トランスデューサを支持するようになっている。選択音響ミラーは、選択トランスデューサによって発生された超音波放射線を成形しかつ反射するように作動可能である。選択トランスデューサ及び選択音響ミラーの少なくとも１つは、支持構造体に移動可能な関係状態で取付けられて、トランスデューサ−ミラー距離が調整可能である。

例示的な実施形態は、支持構造体と、ミラーホルダと、複数の音響ミラーから選択された選択的交換可能音響ミラーとを含む装置を提供する。支持構造体は、トランスデューサ−ミラー距離が調整可能であるように、選択トランスデューサ及び選択音響ミラーを支持するようになっている。

例示的な実施形態は、超音波検査方法を含む。本例示的な方法は、検査される第１の検査対象物の第１のゾーンの深度に少なくとも部分的に応じて、複数のトランスデューサからトランスデューサを選択するステップを含む。本例示的な方法は、選択トランスデューサを支持構造体に支持結合状態で取付けるステップを含む。本例示的な方法は、第１の検査対象物の入射表面曲率に少なくとも部分的に応じて、複数の音響ミラーから音響ミラーを選択するステップを含む。選択音響ミラーは、選択トランスデューサ及び選択音響ミラーが初期トランスデューサ−ミラー距離に配置されるように支持構造体に支持結合状態で取付けられる。トランスデューサ−ミラー距離は、調整可能でありかつ予め定めた一定の総検査経路距離の第１の部分を定める。本方法は、選択トランスデューサによって発生された超音波放射線を選択音響ミラーで第１のゾーンに向けて成形しかつ反射するステップを含む。例示的な方法では、第１の部分、すなわちトランスデューサ−ミラー距離は、一定の総検査経路距離の範囲内で調整される。

添付の図面は、本発明の実施形態を示している。

次に図面を参照すると、図１〜図３は例示的な実施形態を開示しており、これらの例示的な実施形態では、超音波検査システム１０は、支持構造体１３を有する例示的な装置１２を含む。装置１２は、ミラーホルダ１４とトランスデューサホルダ１６とを含む。ミラーホルダ１４は、湾曲した音響ミラー１８を支持構造体１３に固定するようになっている。トランスデューサホルダ１６は、トランスデューサ２０を保持するようになっている。例示的な実施形態では、音響ミラー１８及びトランスデューサ２０は、トランスデューサ−ミラー距離だけ分離され、トランスデューサ２０によって照射された超音波放射線２２が、音響ミラー１８によって対象物２４に向けて成形されかつ反射されるように配置される。対象物２４は、特定の用途に応じてほぼ凸面形又は凹面形とすることができる湾曲入射表面２６を含むことができる。例示的な実施形態では、トランスデューサ−ミラー距離は、調整可能である。例示的な実施形態では、音響ミラー１８及びトランスデューサ２０は、結合流体４０を保持する浸漬タンク３８内に配置可能である。

この例示的な装置１２は、ミラーホルダ１４とトランスデューサホルダ１６とを含む。２つのガイドロッド５０、５２が、ミラーホルダから延びてトランスデューサホルダ１６を支持しかつガイドする。第１の端部５６と第２の端部５８とを有するネジ棒５４が、ガイドロッド５０、５２間に配置される。例示的な実施形態では、トランスデューサホルダ１６は、ネジ棒５４に作動可能に係合される。第１のノブ６０が、第１の端部５６に操作可能に取付けられる。同様に、第２のノブ６２が、第２の端部５８に操作可能に取付けられる。第１のノブ６０又は第２のノブ６２の回転はネジ棒５４を回転させ、ネジ棒５４は次に、トランスデューサホルダ１６の並進運動を生じさせる。他の例示的な実施形態では、ミラーホルダ１４は、ネジ棒５４の回転に対応して移動可能とすることができる。検査作業の間、トランスデューサホルダ１６又はミラーホルダ１４又は両方のネジ棒５４の軸線に沿った移動により、トランスデューサ−ミラー距離の調整が可能になる。

例示的な実施形態では、ガイドロッドの少なくとも１つ（すなわちガイドロッド５２）は、ミラーホルダ１４とトランスデューサホルダ１６との分離の視覚的な把握を可能にするための計測目盛６４を含む。容易に分かるように、トランスデューサ２０がトランスデューサホルダ１６内にありかつ音響ミラー１８がミラーホルダ１４を占有している時に、計測目盛６４を使用して、トランスデューサ−ミラー距離を視覚的に把握することができる。

特に図２を参照すると、例示的な実施形態では、ミラーホルダ１４は、音響ミラー１８の別の音響ミラーとの容易な交換を可能にする１対のクリップ３４、３６のような取付け装置を含む。例示的な実施形態では、音響ミラー１８は、特定の用途に応じて凸面形音響ミラー又は凹面形音響ミラーとすることができる。例示的な実施形態では、音響ミラー１８は、凹面形音響ミラー及び凸面形音響ミラーの少なくとも１つを含む複数の音響ミラーを示している。例示的な実施形態では、クリップ３４及び３６は、ミラー１８を余分なツールを必要とせずに手動で取付けることができるように設計される。従って、第１の音響ミラーの第２の音響ミラーとの交換は、容易に達成することができる。

例示的な実施形態では、ミラーホルダ１４は支持表面４８を含み、これはネジ棒５４の軸に対して実質的に４５度の角度で配列することができる。

例示的な検査システムでは、トランスデューサ２０、音響ミラー１８及び検査対象物２４は、結合流体４０を収容した浸漬タンク３８内に配置される。音響ミラー１８及び検査対象物２４は、ミラー−対象物距離だけ分離される。総検査経路距離は、第１の部分と第２の部分とを含む。第１の部分は、トランスデューサ−ミラー距離によって定まる。ミラー−対象物距離は、少なくとも音響ミラー１８から検査対象物２４まで延び、総検査経路距離の第２の部分を定める。例示的な実施形態では、以下でより詳細に説明するように、特定の水中検査の場合に、総検査経路距離は一定に保持され、トランスデューサ−ミラー距離及びミラー−対象物距離は、所望の検査ゾーン内に超音波放射線を集束させるように相対的に調整される。総検査経路距離は、較正過程で予め定めることができる。

例示的な実施形態では、音響ミラー１８は、複数の音響ミラーから選択される。複数の音響ミラーは、異なる曲率半径を有するミラーを含む。複数の音響ミラーは、凹面形ミラー及び凸面形ミラーを含むことができる。特定の水中検査用の音響ミラー１８の選択は、少なくとも部分的に検査対象物２４の曲率半径に応じて決まる。ミラー選択に影響するその他の要因には、所望の検査ゾーンの深度、材料内での音速、選択トランスデューサの直径及び／又は焦点距離を含むことができる。例示的な検査システムは、選択入力に基づいてミラー半径を決定するように動作可能なアルゴリズムを含む。

例示的な検査システムでは、図３に示すように、検査対象物２４は、１つ以上の検査ゾーン、すなわちゾーン８２、８４を含むことができる。第１の検査ゾーン８２は、第１の総検査経路距離に関連する。第２の検査ゾーン８４は、第２の総検査経路距離に関連する。同じ検査対象物２４内の異なるゾーン８２、８４の検査は、異なるトランスデューサすなわちトランスデューサ２０’、異なる音響ミラーすなわちミラー１８’、又はその両方の選択を必要とすることになる。

例示的な実施形態は、複数のトランスデューサからトランスデューサ２０を選択するステップを含む方法を提供する。トランスデューサの選択は、少なくとも部分的に検査対象物２４の第１の検査ゾーンの深度に応じて決まる。以下の表１は、検査ゾーンの水中深度に対するトランスデューサの選択に関するガイダンスを示す。

選択トランスデューサ２０は、トランスデューサホルダ１６内で支持構造体１３に支持結合状態で取付けられる。音響ミラー１８は、複数の音響ミラーから選択される。例示的な実施形態では、第１の音響ミラー１８の選択は、少なくとも部分的に、超音波で検査される対象物の曲率半径、焦点深度、材料音速、トランスデューサ直径及びトランスデューサ焦点距離に応じて決まる。例示的な実施形態では、アルゴリズムが、選択トランスデューサの焦点距離及び直径、総検査経路距離（較正時に決定された）、検査対象物の湾曲タイプ及び半径、並びに結合流体内及び対象物材料内での音速のような入力に基づいてミラー半径を決定するように動作可能である。

再び図１及び図２を参照すると、選択音響ミラー１８は、初期トランスデューサ−ミラー距離で支持構造体１３に支持結合状態で取付けられる。音響ミラー１８は、トランスデューサ２０によって発生された放射線が音響ミラー１８によって検査対象物２４に向けて成形されかつ反射されるように配置される。例示的な実施形態では、ミラー１８は、支持構造体１３の軸線に対してほぼ４５度で配置される。例示的な実施形態では、音響ミラー１８の角度は、実質的に一定であるが、しかしながら、特定の用途によってミラー角度を調整するように作動可能であるミラーホルダ１４を含むことは本開示発明の技術的範囲内にある。

トランスデューサ２０によって発生された超音波放射線は、音響ミラー１８によって受けられ、検査対象物２４に向けて成形されかつ反射される。成形された／反射された放射線は、湾曲入射表面２６を通過して進み、焦点３２において集束する。例示的な実施形態では、焦点３２は、所望の検査ゾーンに一致している。例示的な実施形態では、検査ゾーンの深度は、ミラー半径に応じて変化させることができる。

例えば、図３に示すように、音響ミラー１８は、トランスデューサ２０によって発生された超音波放射線２２を検査対象物２４に向けて反射しかつ成形するように作動する。放射線２２は、所望の検査ゾーン８２内の焦点３２において集束される。例示的な実施形態では、音響ミラー１８’は、トランスデューサ２０’によって発生された超音波放射線を検査対象物２４に向けて反射しかつ成形するように作動することができる。放射線２２は、検査ゾーン８４内の焦点３２’において集束される。焦点３２、３２’の深度は、少なくとも部分的に入射表面２６の曲率に応じて決まる。

トランスデューサから入射表面までの検査経路距離は、較正作業において決定される。例示的な方法では、総検査経路距離、選択トランスデューサ焦点距離及び直径、並びに検査される対象物の曲率半径は、情報を所望の音響ミラー半径に関連付けるアルゴリズムに入力される。次に、音響ミラー１８が、複数の音響ミラーから選択される。アルゴリズムによりまた、総検査経路距離の第１及び第２の部分をそれぞれ表す理想的なトランスデューサ−ミラー距離及び理想的なミラー−対象物距離を得ることができる。

例示的な実施形態では、選択トランスデューサ２０は、トランスデューサホルダ１６に支持結合状態で係合され、また選択ミラー１８は、ミラーホルダ１４に支持結合状態で係合される。ノブ６０又はノブ６２を回転させて、所望のトランスデューサ−ミラー距離を得る。支持構造体１３は、トランスデューサ２０及びミラー１８が結合流体４０内に配置されるように、浸漬タンク３８内に配置することができる。支持構造体１３は、所望のミラー−対象物距離が得られるように操作される。次に、トランスデューサによって発生された超音波放射線は、音響ミラーによって、検査される対象物の所望のゾーンに向けて成形されかつ反射される。ノブ６０は、超音波放射線の集束を所望の検査ゾーン内で微調整するように調整することができる。

トランスデューサ−ミラー距離及びミラー−対象物距離は、超音波放射線が所望の深度において集束された状態になるように、一定の総検査経路距離の範囲内で相対的に調整することができる。従って、湾曲部品の水中検査は、平坦入射表面を有する部品の検査と実質的に同様の感度で実施することができる。

方法の記述及び実施形態の幾つかの図によって本発明を説明してきたが、そのような詳細に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲を制限又は限定することは、本出願人の意図するところではない。当業者には、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、多くの他の変形、変更及び置換えが想起されるであろう。

超音波検査システムの実施形態の側面図。 それに取付けられた音響ミラーを有する支持構造体の斜視図。 湾曲入射表面を有する対象物をその２つの水中ゾーンにおいて検査を行っている超音波検査の概略図。

符号の説明

１０ 超音波検査システム
１２ 検査装置
１３ 支持構造体
１４ ミラーホルダ
１６ トランスデューサホルダ
１８ 音響ミラー
２０ トランスデューサ
２２ 超音波放射線
２４ 対象物
２６ 湾曲入射表面
３２ 焦点
３４ クリップ
３６ クリップ
３８ タンク
４０ 流体
４８ 支持面
５０ ガイドロッド
５２ ガイドロッド
５４ ネジ棒
５６ 第１の端部（５４）
５８ 第２の端部（５４）
６０ 第１のノブ
６２ 第２のノブ
６４ 目盛
８２ ゾーン１
８４ ゾーン２

Claims (10)

1. 装置（１２）を備える検査システム（１０）であって、
   前記装置（１２）が、
   トランスデューサホルダ（１６）内に選択トランスデューサ（２０）を支持するようになった支持構造体（１３）と、
   前記支持構造体に支持結合状態で取付けられたミラーホルダ（１４）と、
   複数の音響ミラーから選択した選択的交換可能音響ミラーであって、前記選択トランスデューサによって発生された超音波放射線（２２）を成形しかつ反射するように作動可能でありまた前記ミラーホルダに支持関係状態で着脱可能に取付けられた音響ミラー（１８）と、を含み、
   前記選択トランスデューサ及び選択音響ミラーの少なくとも１つが、前記支持構造体に移動可能な関係状態で取付けられて、トランスデューサ−ミラー距離が調整可能である
   ことを特徴とする検査システム（１０）。
2. 少なくとも前記選択音響ミラー（１８）から第１の検査対象物（２４）まで延びるミラー−対象物距離をさらに含み、
   前記ミラー−対象物距離が調整可能であり、また総検査経路距離が前記トランスデューサ−ミラー距離によって定まる第１の部分と前記ミラー−対象物距離によって定まる第２の部分とを含みかつ予め定めた距離である、
   請求項１記載の検査システム。
3. 前記複数の音響ミラーが、少なくとも、前記第１の検査対象物の入射表面曲率に全体的に関連する第１の音響ミラーと第２の検査対象物の入射表面曲率に全体的に関連する第２の音響ミラーとを含む、請求項２記載の検査システム。
4. 前記第１の検査対象物が、少なくとも第１及び第２の検査ゾーン（８２、８４）を含み、
   前記第１の検査ゾーン（８２）が第１の総検査経路距離に関連し、また前記第２の検査ゾーン（８４）が第２の総検査経路距離に関連する、
   請求項２記載の検査システム。
5. トランスデューサ選択、入射表面曲率、総検査経路距離、音響ミラー選択及び超音波放射線速度の少なくとも２つに関するアルゴリズムをさらに含む、請求項２、請求項３及び請求項４のいずれか１項記載の検査システム。
6. 第１の検査対象物（２４）の検査される第１のゾーン（８２）の深度に少なくとも部分的に応じて、複数のトランスデューサからトランスデューサ（２０）を選択するステップと、
   前記選択トランスデューサを支持構造体（１３）に支持結合状態で取付けるステップと、
   前記第１の検査対象物の入射表面曲率に少なくとも部分的に応じて、複数の音響ミラーから音響ミラー（１８）を選択するステップと、
   前記選択トランスデューサ及び選択音響ミラーが初期トランスデューサ−ミラー距離に配置されまた前記トランスデューサ−ミラー距離が調整可能でありかつ予め定めた一定の総検査経路距離の第１の部分を定めるように前記選択音響ミラー（１８）を前記支持構造体（１３）に支持結合状態で取付けるステップと、
   前記選択トランスデューサによって発生された超音波放射線を前記選択音響ミラーで前記第１のゾーン（８２）に向けて成形しかつ反射するステップと、
   前記一定の総検査経路距離の範囲内で前記トランスデューサ−ミラー距離を調整するステップと、
   を特徴とする方法。
7. 前記超音波放射線を成形しかつ反射するステップに先立って、前記第１の検査対象物（２４）を収容した結合流体（４０）内に前記選択トランスデューサ及び選択音響ミラーを、前記第１の検査対象物が少なくとも前記選択音響ミラーから該第１の検査対象物まで延びる初期ミラー−対象物距離に配置されまた前記ミラー−対象物距離が調整可能でありかつ前記総検査経路距離の第２の部分を定めるように浸漬するステップをさらに含む、請求項６記載の方法。
8. 前記一定の総検査経路距離の範囲内で前記ミラー−対象物距離を調整するステップをさらに含む、請求項７記載の方法。
9. 前記第１の検査対象物（２４）の検査される次のゾーン（８４）の深度に少なくとも部分的に応じて、前記選択トランスデューサ（２０）を第２のトランスデューサと交換すること及び前記選択音響ミラー（１８）を第２の音響ミラーと交換することの少なくとも１つを選択的に行うステップをさらに含む、請求項６、請求項７及び請求項８のいずれか１項記載の方法。
10. 前記第１の検査対象物（２４）を、その入射表面曲率が該第１の検査対象物の入射表面曲率とは異なる第２の検査対象物と選択的に置き換えるステップと、
    前記第２の検査対象物の検査されるゾーンの深度に少なくとも部分的に応じて、前記選択トランスデューサ（２０）を前記複数のトランスデューサから選択した第２のトランスデューサと交換すること及び前記選択音響ミラー（１８）を前記複数の音響ミラーから選択した第２の音響ミラーと交換することの少なくとも１つを選択的に行うステップと、
    をさらに含む、請求項６、請求項７、請求項８及び請求項９のいずれか１項記載の方法。

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